结构损伤全历程监测的多标距测试方法

王花平， 周　智， 王　俊， 高锡鹏

(大连理工大学 土木工程学院， 辽宁 大连　116023)



结构损伤全历程监测的多标距测试方法

王花平， 周智， 王俊， 高锡鹏

(大连理工大学 土木工程学院， 辽宁 大连116023)

[摘要]结构健康监测领域中损伤全历程信息捕捉一直未得到较好的解决，常常出现为兼顾结构大变形监测而导致微小、早期损伤不被识别的现象。为此，从集成角度，利用现有的测试技术，形成多种标距组装测试的方法，在合理的成本范围内实现结构整体变形和局部损伤高精度的全历程监测。具体内容为：利用不同标距长度的感知元件，如应变片，通过串联或并列方式构建损伤全历程监测的多标距测试探头。在方法及结构损伤的全历程特征陈述基础上，采用不同标距应变片对标准混凝土立方体试块的轴向受压变形进行了测试，实验结果说明了该方法能较好地实现结构损伤全历程信息的监测。

[关键词]结构损伤； 全历程监测； 多种标距联合测试方法； 不同标距长度的应变片；实验论证

0前言

由于自然灾害和人为失误的频繁发生引发的伤亡和损失越来越严重，工程领域迫切需要发展结构智能健康监测手段对其进行变形和损伤的实时跟踪和分析，以形成预警机制消减灾害的影响程度。现有研究显示：结构局部大变形引起损伤的出现及扩展，由于未被识别而得不到及时养护和维修处理，经常导致结构整体的失效。因此，结构健康监测的重要发展方向之一就是同时对结构整体和局部变形特征进行高精度、长期地实时监测。当前，通常采用光纤传感技术、压电薄膜元件、同轴电缆及电阻式应变片等手段，对工程结构安全评估最重要参数的变形进行监测。然而，其均存在一些突出的缺陷：应变片抵抗恶劣服役环境能力差、限于结构表面测试；压电薄膜传感器受电场干扰、不能静态测试；光纤光栅传感器则存在测试范围窄、量程小等不足。因此，如何利用现有的测试技术，在合理的成本范围内实现结构整体变形和局部损伤高精度的全历程监测，则成为结构智能健康监测领域的热点问题。

公开文献中，学者们通过串联弹簧、减敏等方式扩大光纤光栅的测试量程，通过构造智能元件如光纤光栅智能锚杆、光纤光栅智能拉索等方式提高其环境适应能力，通过将光纤光栅和光纤共线传感方式实现了结构全尺度大规模分布式的较高精度和局部高精度的测试，通过串联长标距光纤光栅实现分布式测量被离散为等参单元结构的应变模态，通过在同轴电缆表面制作等间距阻抗不连续点提高其测试精度，通过在同轴电缆外导体层上刻系列薄弱螺纹分布式实现大裂缝测试。这些研究成果，改善了感知元件的测试量程、抗恶劣服役环境性能，一定程度上实现了结构局部和整体变形的高精度测试，然而当结构损伤先后呈微观和宏观形态、由单一发展到部分时，同一测试尺度的感知元件则无法对损伤的程度和位置进行较准确的定位，单个感知元件的退出工作引起的分布式测试失准使得结构整体和局部的全历程信息不被较客观地获取。即关于结构整体变形和局部损伤的有效、高精度、全历程信息的监测，一直未得以较完美地解决。

鉴于此，在前述研究基础上，本文提出了一种工程结构全历程监测的多种标距联合测试方法，其核心是利用不同标距长度的、相同或不相同的感知元件(如光纤光栅、光纤或同轴电缆等)串联、并列和混合应用，形成一种兼顾结构整体变形高精度、局部损伤精确定位定量的全历程监测传感探头，使得结构各变形阶段时探头内部各种标距的感知元件可以协同高效运作，其具备高精度测试(内部校对功能)、全历程监测的优良特征，可预见的低廉成本、便利制作和广泛的适应性。

1多种标距联合测试方法概述

多种标距联合测试方法，其核心是多种不同标距长度的感知元件通过串联和并列方式组成传感探头，其结构示意如图1所示。图1(a)由四种可以为不同类型的器件如光纤光栅、光纤、同轴电缆等感知元件组成1并列式多种标距联合传感探头，图1(b)可以由光纤光栅、同轴电缆、光纤等感知元件自行串联组合成2串联式多种标距联合传感探头。其中，多种标距联合传感探头内部感知元件的数量可以为两个或多个(不只限于4个)，具体情况依被测结构的几何形状、受力特征、测试要求等确定。

图1　多种标距组合探头示意图Figure 1　Skeleton of various gauge-length sensors assembly

工程结构的多种标距联合传感测试系统，包含局部高精度和全历程信息连续监测感知元件的选择与组合技术，其实施方式如下：

分析结构的固有特征，结合被测区域尺寸及可行的布设工艺条件，确定多种标距联合传感探头内部感知元件的类型、数量、标距长度和组合方式，并制作1并列式多种标距联合传感探头、或2并排列式多种标距联合传感探头；然后，将系列合适的多种标距联合传感探头布设在结构预先确定的位置，并将引出线与相对应的数据解调设备相连接，以提取在荷载作用下结构整体和局部全历程的变形特征。

上述方法中，感知元件的标距尺寸由结构的受力性质确定；感知元件可以是光纤光栅、光纤或同轴电缆；多种标距联合测试探头则依结构的布设工艺由不同标距长度的感知元件串联、并列、或混合应用组成。测试时，由短标距感知元件精确定位局部区域内的变形，以较长或长标距感知元件的测数做校对分析；当短标距感知元件退出工作时，以较大标距感知元件的测数为基本衡量依据，并与长标距感知元件的测数做校对分析，以确定结构该区域内的真实力学状态。其中，数据通过解调设备读取，如频谱分析仪、光纤光栅解调仪、BOTDA等。

2结构损伤全历程特征

工程中各类结构在经过一定服役期后，均会出现损伤。损伤可能源于施工不标准预留的微缺陷或受荷载和环境作用而诱发。不论损伤原因为突发或累积[9]，其全历程特征均具备共性特征。工程结构发生损伤就是与正常结构比较时，在某些方面产生了异常现象，通过结构特征的各项参数变化体现，如动态和静态特征参量、表面形态或形状大小等。结构损伤的全历程演化，从某种程度，可概括为一个相互比较的过程。损伤发生前，即结构完好时，表征其力学状态的各项变量通常与解析解或数值模拟值较接近，即结构内力分布特征与设计一致。损伤发生初期，其对结构整体参数的影响较小，只在局部范围内对附近部件的受力有较大扰动。当初期损伤不被识别时，有损结构的持续运行，会带来损伤或快或缓的扩展。损伤扩展阶段，结构局部构件的损毁对结构整体性能影响较显著，通常表现形式为表征结构整体性能参数的衰减、表征局部构件性能参数的较大突变。用先进、可行、有效的测试手段对结构进行全尺度的检测与评估，以确定结构是否有损伤存在，判断损伤的位置和程度及结构当前的状况、使用功能和结构损伤的变化趋势等，即结构损伤识别[10]。

3实验论证

采用不同标距的应变片对多种标距组合测试方法的应用进行论证。以标准混凝土立方体为测试对象，考虑混凝土最大粒径40 mm，以最小标距4 cm的多种应变片为感知元件，进行全历程监测。

3.1试验模型

通过在试块的不同位置布置不同长度的应变片，以模拟图1(a)所示的传感探头，组成探头的各传感器件之间为并联关系。立方体试块不同侧面布置不同标距的应变片如图2，图3所示。应变片标距长度分别为4、6、8、10 cm，对应图中编号分别有：41、42、43、44、62、81、82、83、84、85、86、101、102。

图2　混凝土各侧面不同标距的应变片布置图Figure 2　Layout of different gauge-length strain gauges 　on concrete

图3　混凝土各侧面不同标距应变片实物图

Figure 3Physical model different gauge-length strain gauges fixed on concrete

应变片布置完成后，在混凝土顶面涂抹润滑油，垫上钢板使其受力更均匀，然后给该立方体试块施加压力，直至混凝土出现贯穿裂缝而破坏。其中加载速率大小为1 kN/s。

3.2试验结果

随着加载的进行，试块依次经历小变形、变形极限状态、微观尺度损伤出现及扩展的宏观损伤等四个过程。布设在各侧面的应变片可较完整地采集到损伤发生前、损伤发生及扩展的变化历程。各应变片的读数见图4。其中前后面出现裂纹(见图5)，导致大部分应变片如41、42、83、84、101等较早退出工作，故其后半程的变形数据依赖其它工作应变片。贯穿裂缝的形态见图5。提取的前后侧面应变片测数如图6。两侧面竖向应变片测数见图6～图8。

图4　混凝土受压至破坏过程的各应变片测数Figure 4　Tested strain of concrete failure under compressive

图5混凝土前后面出现贯穿裂纹图，左侧表面应变片编号418182101；右边表面应变片编号42628384102

Figure 5Penetrating crack in frontack side of concrete，(a)no.418182101in front side；(b)no.42628384102 in back side

图6　混凝土前表面标距4cm8cm10cm应变片的读数Figure 6　Data of strain gauges(4cm8cm10cm)in front side

图7　混凝土后表面标距4cm6cm8cm10cm应变片　的读数Figure 7　Date of strain gauges(4cm6cm8cm10cm)　in back side

图8　混凝土两侧面标距4cm8cm应变片的读数Figure 8　Data sensed by strain gauge(4cm8cm)in two sides

由此可知：多种标距组合测试的方法能先后以不同敏感度捕捉不同时间出现、不同部位发生的裂缝。 混凝土两侧面上的应变片，全程受压，测数均为负，对夹杂结构，应变片的标距长度对测试影响较大，因此，合理组合不同标距传感器实现结构损伤全历程信息监测尤其重要。

4结论

将不同标距长度的感知元件布设于试块的各被测面内，以小变形阶段的理论推理为准则，消除测试误差的基础上，获取单向压缩时脆性材料全历程的变形信息，结果表明：

① 在结构小变形阶段，短标距感知元件实现局部高精度测试、长标距感知元件则反映大尺度上的变形状态，实现结构分尺度地高精度监测；

② 在结构损伤出现及扩展阶段，短标距感知元件经历极限量程可能退出工作，长标距感知元件则在经历损伤扩展后仍继续工作，到结构破坏，从而得结构小变形、损伤及破坏全历程的信息。

③ 多种标距联合测试方法能极大地提高传感器在工程结构监测和检测应用中的测试精度和广度，避免测试范围受限、变形超出测试量程、个别感知元件损毁引起分布式测试失效等问题。

[参考文献]

[1]Glisic B.，Inaudi D.Long-gage fiber optic sensors for global structural monitoring[C].1stInternational Workshop on Structural Health Monitoring of Innovative Civil Engineering Structures，ISIS Canada，2002.

[2]Glisic B.， Inaudi D. Development of method for in-service crack detection based on distributed fiber optic sensors[J].Structural Health Monitoring，2011.

[3]Glisic B. Influence of the gauge length on the accuracy of long-gauge sensors employed in monitoring of prismatic beams[J].Measurement Science and Technology，2011.

[4]Yuan L.B.，Zhou L.M.，Jin W.Long-gauge length embedded fiber optic ultrasonic sensor for large-scale concrete structures[J].Optics & Laser Technology，2004.

[5]Sumitro S.，Okada Y.，Saitoh K.，Takanashi S.，Inaudi D.Long-gage optical fiber sensors monitoring on deteriorated structure deformational properties[J].Structural Health Monitoring and Control，2003.

[6]Li S.Z.，Wu Z.S.Development of distributed long-gage fiber optic sensing system for structural health monitoring[J].Structural Health Monitoring，2007.

[7]Li S.Z.，Wu Z.S.A model-free method for damage locating and quantifying in a beam-like structure based on dynamic distributed strain measurements[J].Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering，2008.

[8]沈圣，吴智深，杨才千，等.基于分布式光纤应变传感技术的改进共轭梁法检测结构变形分布研究[J].土木工程学报，2010(7).

[9]李宏男，高东伟，伊廷华.土木工程结构健康监测系统的研究状况与进展[J].力学进展，2008(2).

[10]朱宏平，余璟，张俊兵.结构损伤动力检测与健康监测研究现状与展望[C].第19届结构工程学术会议，2010.

[11]朱宏平，余璟，张俊兵.结构损伤动力检测与健康监测研究现状与展望[J].工程力学，2011(2).

Multiple Gauge-length Assembly Based Measuring Method on Whole-history Information of Structural Damage

WANG Huaping， ZHOU Zhi， Wang Jun， GAO Xipeng

(School of Civil Engineering， Dalian University of Technology， Dalian， Liaoning 116024， China)

[Abstract]Capturing the whole-history information of damage in structure field has always been a problem urgent to be solved.The common phenomenon is that high attention of large deformation monitoring often leads to the poor recognition of micro or early-stage damage.For this reason，inspired by the conception of integration，a measuring method based on various gauge-length sensors assembly is developed to realize the whole-history monitoring of integral deformation and local damage.The core content is that different gauge-length sensing elements，such as strain gauge，installed in series or paralleling，are introduced to establish the test probe on whole-history damage detection.Given the analysis above，different gauge-length strain gauges are adopted to monitor the deformation of standard-cube concrete under axial compression.Experiments indicates that the proposed method in this article could well obtain the whole-history information of damage.

[Key words]structural damage； whole-history monitoring； multiple gauge-length assembly based measuring method； strain gauges with various gauge lengths； experimental investigation

[中图分类号]U 414.1

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)01-0051-04

[作者简介]王花平(1985-)，女，湖北武汉人，博士研究生，主要从事道路工程、岩土工程结构健康监测及其力学分析。

[基金项目]国家973基础研究项目(2011CB013705)；国家863计划(2014AA110401)

[收稿日期]2014-09-23